SCB & SGB Transformer khô được giải thích

1. Giới thiệu

Máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Các thành phần chính của máy biến áp là cuộn dây và lõi thép. Trong quá trình hoạt động, cuộn dây đóng vai trò là đường dẫn cho dòng điện, trong khi lõi thép đóng vai trò là đường dẫn cho dòng từ thông. Khi năng lượng điện được cấp vào cuộn dây sơ cấp, dòng điện xoay chiều tạo ra trường từ xoay chiều trong lõi (tức là năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng trường từ). Do liên kết từ (liên kết từ thông), từ thông đi qua cuộn dây thứ cấp liên tục thay đổi, do đó tạo ra điện thế cảm ứng (EMF) trong cuộn dây thứ cấp. Khi mạch ngoài được nối, năng lượng điện được truyền đến tải (tức là năng lượng trường từ được chuyển đổi trở lại thành năng lượng điện). Quá trình chuyển đổi "điện-từ-điện" này được thực hiện dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, và quá trình chuyển đổi năng lượng này cấu thành nguyên lý làm việc của máy biến áp.

U1N2 = U2N1

U1: Điện áp sơ cấp；N1: Số vòng cuộn dây sơ cấp；U2: Điện áp thứ cấp；N2: Số vòng cuộn dây thứ cấp

Theo tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc GB 1094.16, máy biến áp khô được định nghĩa rõ ràng là máy biến áp có lõi và cuộn dây không ngâm trong chất cách điện lỏng. Chất cách điện và làm mát của nó là không khí. Rộng rãi hơn, máy biến áp khô có thể được chia thành hai loại chính: bọc kín và quấn mở.

• Loại "SC(B)" đề cập đến máy biến áp khô đúc bằng nhựa epoxy (chữ "B" trong ký hiệu mô hình chỉ rằng cuộn dây được làm bằng băng đồng; chữ "B" trong "SG(B)" cũng có ý nghĩa tương tự). Cuộn dây cao áp được bọc hoàn toàn bằng nhựa epoxy, trong khi cuộn dây thấp áp thường không được đúc hoàn toàn bằng nhựa epoxy—chỉ các vòng cuối cùng được niêm phong bằng nhựa epoxy (điều này cũng vì phía áp thấp mang dòng điện lớn hơn, và đúc hoàn toàn sẽ ảnh hưởng xấu đến tản nhiệt). Hiện nay, máy biến áp khô loại SC(B) là sản phẩm chủ đạo trên thị trường, và bài viết này sử dụng chúng làm ví dụ để phân tích. Hầu hết các máy biến áp loại SC(B) có lớp cách điện F, với một số ít được đánh giá là lớp H.

• Loại "SG(B)" là máy biến áp khô quấn mở sử dụng giấy cách điện NOMEX của DuPont (Hoa Kỳ) cho cách điện giữa các vòng. Cuộn dây thấp áp được làm bằng băng đồng, và cả cuộn dây cao áp và thấp áp đều trải qua xử lý cách điện VPI (Vacuum Pressure Impregnation). Bề mặt được phủ một lớp sơn cách điện epoxy. Hầu hết các máy biến áp khô loại SG(B) có lớp cách điện H, với một số ít được đánh giá là lớp C.

• Có một loại máy biến áp khô khác, được ký hiệu là "SCR(B)", là loại bọc kín nhưng không đúc bằng nhựa epoxy. Nó được bọc hoàn toàn bằng giấy NOMEX và gel silicone, dựa trên công nghệ Pháp. Sản phẩm này có nhu cầu thị trường rất hạn chế. Tất cả các máy biến áp khô loại SCR(B) đều có lớp cách điện H.

2 Lợi ích của Máy biến áp khô

• An toàn, chống cháy, chống hỏa hoạn, chống nổ, không ô nhiễm và có thể lắp đặt trực tiếp tại trung tâm tải;

• Không cần bảo dưỡng, chi phí vận hành tổng thể thấp;

• Khả năng chống ẩm tốt—có thể hoạt động bình thường dưới độ ẩm 100% và có thể tái kích hoạt mà không cần sấy khô trước sau khi tắt;

• Mất mát thấp, phóng điện cục bộ thấp, tiếng ồn thấp, khả năng tản nhiệt mạnh, và có thể hoạt động ở 150% tải định mức dưới điều kiện làm mát bằng không khí ép;

• Trang bị hệ thống bảo vệ và kiểm soát nhiệt độ toàn diện, cung cấp đảm bảo đáng tin cậy cho hoạt động an toàn;

• Kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, diện tích chiếm chỗ nhỏ, và chi phí lắp đặt thấp.

3. Nhược điểm của Máy biến áp khô

• Ở cùng công suất và điện áp định mức, máy biến áp khô đắt hơn so với máy biến áp ngâm dầu;

• Điện áp định mức bị giới hạn—thông thường lên đến 35 kV, với một số mẫu đạt 110 kV;

• Thường được sử dụng trong nhà; khi sử dụng ngoài trời, cần có vỏ bảo vệ có chỉ số bảo vệ cao (IP);

• Đối với cuộn dây đúc nhựa, nếu bị hỏng, thường cần phải thải bỏ hoàn toàn, vì sửa chữa thường khó khăn.

4. Cấu trúc của Máy biến áp khô

4.1 Cuộn dây
(1) Cuộn dây dạng tầng: Được làm bằng cách xếp chồng các dây dẫn phẳng hoặc tròn và quấn theo hình xoắn ốc để tạo thành nhiều tầng. Giữa các tầng có đặt vật liệu cách điện hoặc kênh thông gió. Cuộn dây được đúc và làm cứng dưới chân không bằng khuôn và thiết bị đúc chuyên dụng. Quy trình: quấn xoắn ốc xếp chồng → đặt vào khuôn → đúc chân không.

(2) Cuộn dây dạng băng: Được làm bằng cách quấn các dây dẫn mỏng và rộng, mỗi vòng một tầng. Cách điện giữa các tầng cũng đóng vai trò như cách điện giữa các vòng. Cuộn dây dạng băng thường sử dụng kênh thông gió trục: trong quá trình quấn, các dải cách nhau được chèn vào vị trí vòng định trước và sau đó được loại bỏ để tạo thành kênh không khí trục. Sau khi quấn trên máy quấn băng, cuộn dây chỉ cần được gia nhiệt và làm cứng—không cần khuôn hoặc đúc.

Tại sao cuộn dây điện áp cao được đặt ở lớp ngoài và cuộn dây điện áp thấp ở lớp trong?
Vì bên điện áp thấp hoạt động ở mức điện áp thấp hơn và yêu cầu khoảng cách cách điện nhỏ hơn, việc đặt nó gần lõi giúp giảm khoảng cách giữa cuộn dây và lõi, do đó giảm kích thước tổng thể và chi phí của biến áp. Ngoài ra, cuộn dây điện áp cao thường có các điểm đấu nối; việc đặt nó ở bên ngoài làm cho vận hành thuận tiện và an toàn hơn.

4.2 Lõi

• Được xây dựng bằng cách xếp chồng nhiều tấm thép silic phủ sơn cách điện;

• Lõi chủ yếu được kẹp bởi khung kẹp và vít kẹp;

• Khung kẹp trên và dưới nén lõi và cuộn dây thông qua thanh liên kết hoặc đĩa liên kết;

• Các thành phần cách điện lõi bao gồm cách điện khung, cách điện vít, hoặc cách điện đĩa liên kết.

Tại sao lõi phải được nối đất?
Khi hoạt động bình thường, lõi biến áp phải có một và chỉ một điểm nối đất đáng tin cậy. Nếu không nối đất, sẽ xuất hiện điện áp nổi giữa lõi và đất, dẫn đến sự phóng điện gián đoạn từ lõi đến đất. Việc nối đất lõi tại một điểm duy nhất loại bỏ khả năng xuất hiện điện áp nổi. 

Tuy nhiên, nếu lõi được nối đất tại hai hoặc nhiều điểm, điện thế không đồng đều giữa các phần lõi sẽ gây ra dòng điện tuần hoàn giữa các điểm nối đất, dẫn đến lỗi nối đất nhiều điểm và nóng cục bộ. Các lỗi nối đất lõi như vậy có thể gây tăng nhiệt độ cục bộ nghiêm trọng, có thể kích hoạt việc nhảy bảo vệ. Trong trường hợp cực đoan, các điểm nóng chảy trên lõi tạo ra ngắn mạch giữa các tấm thép, tăng đáng kể tổn thất lõi và ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất và hoạt động của biến áp—đôi khi đòi hỏi thay thế các tấm thép silic để sửa chữa. Do đó, biến áp không được có nhiều điểm nối đất; chỉ được phép có một và chỉ một điểm nối đất.

5. Hệ thống Kiểm soát Nhiệt độ

Sự vận hành an toàn và tuổi thọ của biến áp khô phụ thuộc lớn vào sự an toàn và tin cậy của cách điện cuộn dây. Nếu nhiệt độ cuộn dây vượt quá giới hạn chịu nhiệt của cách điện, cách điện sẽ bị hỏng—đây là một trong những nguyên nhân chính gây hỏng hóc biến áp. Do đó, giám sát nhiệt độ hoạt động và thực hiện kiểm soát báo động và ngắt mạch là rất quan trọng.

(1) Điều khiển quạt tự động: Dữ liệu nhiệt độ được đo bằng cảm biến nhiệt độ Pt100 đặt ở phần nóng nhất của cuộn dây điện áp thấp. Khi tải biến áp tăng và nhiệt độ hoạt động tăng, hệ thống tự động khởi động quạt làm mát khi nhiệt độ cuộn dây đạt 110°C, và dừng chúng khi nhiệt độ giảm xuống 90°C.

(2) Báo động nhiệt độ cao và ngắt mạch quá nhiệt: Dữ liệu nhiệt độ từ cuộn dây hoặc lõi được thu thập bởi các điốt nhiệt PTC không tuyến tính đặt trong cuộn dây điện áp thấp. Nếu nhiệt độ cuộn dây tiếp tục tăng và đạt 155°C, hệ thống phát tín hiệu báo động quá nhiệt. Nếu nhiệt độ tăng thêm lên 170°C, biến áp không còn có thể hoạt động an toàn, và phải gửi tín hiệu ngắt mạch quá nhiệt đến mạch bảo vệ thứ cấp.

(3) Hệ thống hiển thị nhiệt độ: Giá trị nhiệt độ được đo bằng cảm biến nhiệt độ Pt100 đặt trong cuộn dây điện áp thấp và hiển thị trực tiếp nhiệt độ của mỗi cuộn dây pha (với giám sát ba pha, hiển thị giá trị tối đa, và ghi lại nhiệt độ đỉnh lịch sử). Hệ thống cung cấp đầu ra tương tự 4–20 mA cho nhiệt độ cao nhất. Nếu cần truyền xa đến máy tính (lên đến 1200 mét), có thể trang bị giao diện máy tính và một thiết bị truyền, cho phép theo dõi đồng thời tới 31 biến áp. Tín hiệu cảm biến nhiệt độ Pt100 cũng có thể kích hoạt báo động và ngắt mạch quá nhiệt, nâng cao thêm độ tin cậy của hệ thống bảo vệ nhiệt độ.

6. Vỏ Bọc của Biến Áp Khô

Tùy thuộc vào đặc điểm môi trường hoạt động và yêu cầu bảo vệ, biến áp khô có thể được trang bị các loại vỏ bọc khác nhau. Thông thường, vỏ bọc có tỷ lệ IP20 được chọn, ngăn chặn các vật lạ rắn có đường kính lớn hơn 12 mm và các loài động vật nhỏ như chuột, rắn, mèo, và chim xâm nhập vào biến áp, từ đó tránh các sự cố nghiêm trọng như ngắn mạch và mất điện, và cung cấp hàng rào an toàn cho các phần có điện.

Nếu biến áp phải được lắp đặt ngoài trời, có thể sử dụng vỏ bọc có tỷ lệ IP23. Ngoài bảo vệ được cung cấp bởi IP20, nó cũng ngăn chặn các giọt nước rơi với góc lên đến 60° so với hướng thẳng đứng. Tuy nhiên, vỏ bọc IP23 làm giảm khả năng làm mát của biến áp, do đó cần chú ý đến việc giảm công suất hoạt động tương ứng khi chọn loại vỏ bọc này.

7. Phương pháp làm mát của biến áp khô

Biến áp khô sử dụng hai phương pháp làm mát: làm mát bằng không khí tự nhiên (AN) và làm mát bằng không khí ép (AF).

Trong trường hợp làm mát bằng không khí tự nhiên, biến áp có thể hoạt động liên tục ở công suất định mức trong thời gian dài.

8. Các hạng mục kiểm tra cho biến áp khô

• Đo điện trở DC của cuộn dây:
  Kiểm tra chất lượng hàn của các dây dẫn bên trong, điều kiện tiếp xúc giữa bộ chuyển đổi phân áp và dây dẫn, và xem xét sự mất cân đối điện trở giữa các pha. Thông thường, độ mất cân đối điện trở giữa các pha không nên vượt quá 2%, và độ mất cân đối giữa các pha không nên vượt quá 4%. Mất cân đối điện trở DC quá mức có thể gây ra dòng điện tuần hoàn giữa ba pha, tăng tổn thất dòng điện tuần hoàn và dẫn đến các tác động không mong muốn như quá nhiệt biến áp.

• Kiểm tra tỷ lệ điện áp tại tất cả các vị trí phân áp:
  Xác minh số vòng quấn có chính xác và tất cả các kết nối phân áp được đấu đúng. Khi áp dụng 1000 V vào phía cao áp (và các phân áp khác nhau), kiểm tra xem biến áp có xuất ra khoảng 400 V trên phía hạ áp hay không.

• Kiểm tra nhóm kết nối cuộn dây ba pha và cực tính.

• Đo điện trở cách điện của các chi tiết cố định cách điện và lõi sắt.

• Đo điện trở cách điện của cuộn dây:
  Đánh giá mức cách điện giữa cuộn dây cao áp, cuộn dây hạ áp và đất. Thường dùng đồng hồ megohm 2500 V, và các giá trị điện trở cách điện đo được (CA–HA, CA–đất, HA–đất) phải vượt quá các giá trị tiêu chuẩn quy định.

• Thử nghiệm chịu điện áp xoay chiều của cuộn dây:
  Đánh giá sức mạnh cách điện chính giữa CA, HA và đất thông qua thử nghiệm điện môi. Thử nghiệm này quyết định trong việc phát hiện các khiếm khuyết cục bộ được giới thiệu trong quá trình sản xuất. Đối với biến áp khô, các điện áp thử nghiệm điển hình là: 35 kV cho cuộn dây 10 kV và 3 kV cho cuộn dây 0,4 kV, mỗi lần áp dụng trong 1 phút mà không bị hỏng mới được coi là chấp nhận được.

• Thử nghiệm chuyển mạch và khóa liên lạc cho cầu chì ở tất cả các phía của biến áp:
  Xác minh độ tin cậy của các thiết bị bảo vệ và xác nhận rằng thiết bị chuyển mạch hoàn chỉnh và không có lỗi.

9. Thử nghiệm chuyển mạch xung (inrush)

(1) Khi ngắt một biến áp không tải, có thể xảy ra điện áp quá áp chuyển mạch. Trong các hệ thống điện có trung tính không tiếp đất hoặc trung tính tiếp đất thông qua cuộn dây triệt sóng, mức điện áp quá áp có thể đạt 4–4,5 lần điện áp pha; trong các hệ thống có trung tính tiếp đất trực tiếp, nó có thể đạt tới 3 lần điện áp pha. Để xác minh xem cách điện của biến áp có thể chịu được điện áp toàn phần hoặc điện áp quá áp chuyển mạch, cần thực hiện thử nghiệm xung.

(2) Khi cấp điện cho một biến áp không tải, sẽ tạo ra dòng điện inrush từ hóa, có thể đạt 6–8 lần dòng điện định mức. Dòng điện inrush giảm nhanh ban đầu—thường giảm xuống 0,25–0,5 lần dòng điện định mức trong 0,5–1 giây—nhưng quá trình giảm hoàn toàn có thể mất nhiều thời gian hơn, lên tới vài chục giây đối với các biến áp công suất lớn. Do lực điện từ lớn do dòng điện inrush tạo ra, thử nghiệm xung được thực hiện để đánh giá sức mạnh cơ học của biến áp và đánh giá xem các thiết bị bảo vệ có thể hoạt động sai trong giai đoạn suy giảm sớm của dòng điện inrush hay không.
Nhìn chung, các biến áp mới lắp đặt trải qua 5 thử nghiệm xung, trong khi các biến áp đã sửa chữa trải qua 3 thử nghiệm xung.

10. Thử nghiệm không tải

Mục đích của thử nghiệm không tải là:

• Đo tổn thất không tải và dòng điện không tải của biến áp;

• Xác minh xem thiết kế và chế tạo lõi có đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định hay không;

• Phát hiện các khiếm khuyết của lõi như quá nhiệt cục bộ hoặc cách điện cục bộ kém.

Trong quá trình thử nghiệm, phía cao áp được mở mạch, và áp suất định mức được áp dụng cho phía hạ áp. Tổn thất không tải chủ yếu là tổn thất lõi (sắt).

Các khiếm khuyết có thể phát hiện thông qua thử nghiệm không tải bao gồm:

• Cách điện kém giữa các tấm thép silic;

• Chập ngắn hoặc hư hỏng cục bộ giữa các tấm lõi;

• Hư hỏng cách điện trong các bulông xuyên lõi, dải thép ràng buộc, tấm kẹp, yokes trên, v.v., gây chập ngắn;

• Các tấm thép silic lỏng lẻo, không thẳng hàng hoặc khoảng cách không khí quá lớn trong mạch từ;

• Tiếp đất nhiều điểm của lõi;

• Chập ngắn giữa các vòng hoặc lớp cuộn dây, hoặc số vòng quấn không đều trong các nhánh song song gây mất cân đối ampere-vòng;

• Sử dụng thép silic có tổn thất cao, chất lượng thấp hoặc lỗi trong các phép tính thiết kế.

11. Thử nghiệm ngắn mạch

Thử nghiệm ngắn mạch chủ yếu đo lường tổn thất ngắn mạch và trở kháng. Nó được thực hiện khi đưa vào sử dụng để xác minh sự chính xác của cấu trúc cuộn dây, và sau khi thay thế cuộn dây để kiểm tra sự khác biệt đáng kể so với kết quả thử nghiệm trước đó.

Nguồn điện thử nghiệm có thể là ba pha hoặc một pha, áp dụng cho phía điện áp cao trong khi phía điện áp thấp được ngắn mạch. Trong quá trình thử nghiệm, dòng điện phía điện áp cao được tăng lên đến giá trị định mức, và dòng điện phía điện áp thấp được kiểm soát để duy trì ở mức dòng điện định mức.

12.Xử lý Điều kiện Bất thường của Máy biến áp khô

12.1 Tiếng ồn bất thường của máy biến áp

• Tiếng ồn cơ khí do:

• Ốc kẹp lõi bị lỏng;

• Biến dạng góc lõi do xử lý không đúng cách trong quá trình vận chuyển hoặc lắp đặt;

• Vật lạ nối giữa các phần của lõi;

• Ốc vít gắn quạt bị lỏng hoặc vật lạ bên trong quạt;

• Ốc vít gắn vỏ bị lỏng gây rung động và tiếng ồn từ bảng;

• Ốc vít cố định thanh cái điện áp thấp bị lỏng hoặc thiếu kết nối linh hoạt, dẫn đến rung động và tiếng ồn.

• Điện áp nguồn đầu vào quá cao gây ra quá kích và tiếng rít to hơn.

• Tiếng ồn từ谐波：不规则的模式—音量变化且间歇出现。主要由供电侧或负载侧的谐波产生设备（如电炉、晶闸管整流器）反馈到变压器中引起的。 环境因素：小的变压器室，墙壁光滑，会产生共振“音箱”效应，放大感知噪音。

12.2 Hiển thị Nhiệt độ Bất thường

• Cảm biến không được cắm vào ổ cắm ở mặt sau của bộ hiển thị nhiệt độ—đèn báo lỗi sáng;

• Kết nối lỏng ở giắc cắm cảm biến làm tăng sức cản, gây ra đọc sai nhiệt độ cao;

• Đọc nhiệt độ vô hạn trên một pha cho thấy đường dây điện trở bạch kim của cảm biến bị đứt mạch;

• Đọc bất thường cao trên một pha gợi ý rằng điện trở bạch kim đang ở trạng thái bị hỏng một phần (đứt đoạn).

Máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ. Các thành phần chính của máy biến áp là cuộn dây và lõi. Trong quá trình hoạt động, cuộn dây đóng vai trò là đường đi cho dòng điện, trong khi lõi đóng vai trò là đường đi cho dòng từ thông. Khi năng lượng điện được đưa vào cuộn dây sơ cấp, dòng điện xoay chiều tạo ra từ trường xoay chiều trong lõi (tức là năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng từ trường). Do liên kết từ (liên kết từ thông), từ thông đi qua cuộn dây thứ cấp liên tục thay đổi, do đó tạo ra lực điện động (EMF) trong cuộn dây thứ cấp. Khi mạch ngoài được kết nối, năng lượng điện được truyền đến tải (tức là năng lượng từ trường được chuyển đổi lại thành năng lượng điện). Quá trình chuyển đổi "điện–từ–điện" này được thực hiện dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ, và quá trình chuyển đổi năng lượng này tạo nên nguyên lý hoạt động của máy biến áp.